13270

Исследование тиристора

Лабораторная работа

Физика

Лабораторная работа №11 Исследование тиристора. Цель работы: ознакомление с вольтамперными характеристиками и основными параметрами переключающих диодовтиристоров. Приборы:1.Универсальный стенд. 2.Авометр. 3.Амперметр. 4.Электронный вольтметр. 11.1Теоритич

Русский

2013-05-11

99.5 KB

19 чел.

Лабораторная работа №11

Исследование тиристора.

Цель работы: ознакомление с вольтамперными характеристиками и основными параметрами переключающих диодов-тиристоров.

Приборы:1.Универсальный стенд.

2.Авометр.

3.Амперметр.

4.Электронный вольтметр.

11.1Теоритическое введение. Тиристорами называют полупроводниковые приборы с тремя и более p-n переходами, которые имеют два устойчивых состояния равновесия: состояние с низкой проводимостью и состояние с высокой проводимостью. Переход из одного состояния в другое обусловлен действием внешних факторов: напряжения, света, температуры и т.д.

Существуют несколько разновидностей тиристоров, среди которых наиболее распространёнными являются диодные и триодные тиристоры.

Диодным тиристором (динистором) называется прибор, имеющий два электрода, через которые протекает как основной ток, так и ток управления. Тиристор, имеющий два основных и один управляющий электрод, называется триодным тиристором (тринистором).

На рис. 11.1 показана структура простейшего диодного тиристора, где крайние слои, к которым подводятся металлические контакты, называют анодом и катодом. Эта структура может быть представлена в виде двух частично совмещённых транзисторных структур типа n-p-n и p-n-p. В связи с таким представлением крайние слои тиристорной структуры называют эмиттерными, примыкающие к ним p-n переходы – эмиттерными, центральный переход – коллекторным. Между переходами находятся базовые области.

При отсутствии внешнего напряжения (рис. 11.1.а) на тиристоре вследствие различия концентрации носителей в p- и n- областях через каждый p-n переход будет протекать ток диффузии. Возникшие при этом объёмные электрические заряды создадут поля, препятствующие диффузии основных носителей и вызывающие дрейфовые токи неосновных носителей. В результате на каждом переходе устанавливается состояние термодинамического равновесия, и суммарный ток через каждый переход и через весь прибор будет равен нулю (рис. 11.2).

 П1 П2 П3  

A K

 

  

VT2

A

K

 n

VT1

 

Рис. 11.1. Cтруктура диодного тиристора (11.1.а), представление его в виде двух транзисторов p-n-p и n-p-n типа (11.1.б).

 Iа

B

 

 

 г)

 

a) C

A

 Ua

Uпроб

0 Uоткр Uвкл Ea

  б) Еа  в)

Рис. 11.2. Вольт – амперная характеристика тиристора (11.2.а) и состояние переходов (11.2.б,11.2.в,11.2.г) в различных режимах.

При подаче на анод отрицательного напряжения (рис. 11.2.б) коллекторный переход смещается в прямом направлении, а оба эмиттерных перехода – в обратном направлении. Вольт – амперная характеристика в этом режиме (рис. 11.2.а) является по существу характеристикой двух последовательно соединённых электронно – дырочных переходов, смещённых в обратном направлении. Ток тиристора невелик, он определяется процессами экстракции и термогенерации неосновных носителей зарядов в этих переходах. Сопротивление тиристора велико, что соответствует закрытому состоянию прибора.

При превышении некоторой величины обратного напряжения Uпроб происходит пробой эмиттерных переходов и ток тиристора резко возрастает – это нерабочий режим.

При подаче на анод положительного напряжения коллекторный переход П2 оказывается включенным в обратном направлении, а эмиттерные переходы П1 и П3 – в прямом (рис. 11.2.в). При этом практически всё внешнее напряжение падает на коллекторном переходе П2. Возникает инжекция носителей заряда из эмиттерных областей и, кроме того, в цепи коллекторного перехода протекает небольшой обратный ток Iкбо. Таким образом, полный ток коллекторного перехода

(11.1)

где 1 и 2 – коэффициенты передачи токов p-n-p и n-p-n транзисторов.

Так как ток через коллекторный переход диодной структуры равен току анода Ia, с учётом выражения (3.1) можно записать:

(11.2)

Коэффициенты передачи токов  1 и 2 в кремниевых структурах сильно зависят от величины тока эмиттера. Как видно из рис.11.3 при малых токах эмиттера коэффициент передачи тока очень мал.

Как видно из рис. 11.3, при малых токах эмиттера коэффициент передачи тока очень мал. Поэтому, пока напряжение Еа и ток через переходы невелики, суммарный коэффициент передачи тока = 1 + 2 << 1, и ток анода соизмерим с собственным током коллекторного перехода Iкбо.

С повышением анодного напряжения на эмиттерных переходах П1 и П3 увеличивается прямое напряжение, усиливается инжекция носителей заряда. Электроны, инжектируемые n-эмиттером, достигают коллекторного перехода П2 и его полем перебрасываются в n-базу, где образуется неравновесный отрицательный заряд. Этот заряд снижает потенциальный барьер перехода П1, что увеличивает инжекцию дырок p-эмиттером.

 1

1.0

0.8 p-n-p

 2

0.6

0.4

0.2 n-p-n

10 100 Iэ, мкА

Рис. 11.3. Зависимости коэффициентов передачи 1 и 2 от тока.

Дырки, продиффундировав через n-базу, достигают перехода П2 и его полем перебрасываются в р-базу. Заряд дырок в р-базе снижает потенциальный барьер П3, увеличивая инжекцию электронов n-эмиттером. Таким образом, в тиристорной структуре возникает положительная обратная связь, которая приводит к самопроизвольному лавинному увеличению анодного тока.

С приближением анодного напряжения к некоторой величине Uвкл (точка А на ВАХ), значение   = 1 + 2 стремится к единице, процесс регенерации усиливается и ток тиристора в соответствие с выражением (11.2)  начинает расти.

В точке А суммарный коэффициент передачи тока   = 1 + 2 равен единице, в переходе П2 начинается процесс лавинного размножения носителей, которые разносятся полем перехода П2 в “свои” области – электроны – в n-область, дырки – в р-область. Потенциальные барьеры П1 и П3 снижаются, ещё более увеличивается инжекция из эмиттеров. Накопленные заряды в базах тиристора смещают коллекторный переход в прямом направлении, его сопротивление резко падает. В результате начинается перераспределение напряжения Еа; напряжение на резисторе Rн возрастает, а напряжение на аноде уменьшается  до величины Ua = Uоткр (рис. 11.2.а) согласно соотношению:

(11.3)

Тиристор скачком проходит неустойчивый режим, в котором он обладает отрицательным дифференциальным сопротивлением, и переходит в открытое состояние, то есть в состояние с высокой проводимостью (точка В на ВАХ), где суммарный коэффициент становится больше единицы (рис. 3.2,г).

Величина тока при этом определяется сопротивлением нагрузки Rн и напряжением питания:

(11.4)

Падение напряжения на открытом тиристоре определяется суммой падений напряжений на трёх прямо смещённых переходах, падением напряжения на базах и выводах и составляет около 1В.

На величину Uвкл можно влиять с помощью управляющего электрода (тринисторный режим). При подаче в цепь управляющего электрода тока управления Iу (рис. 11.4.а) ток через переход П3 увеличивается. Дополнительная инжекция носителей заряда через переход приводит к увеличению анодного тока на величину 2Iу 

(11.5)

Увеличение анодного тока, а значит и тока через  запертый коллекторный переход  тринистора в первом приближении аналогично приложенному напряжению, так как в обоих случаях увеличивается вероятность лавинного размножения носителей заряда. Поэтому, изменяя ток, можно менять напряжение, при котором происходит переключение тиристора, и тем самым управлять моментом включения. Семейство вольт-амперных характеристик тринистора показано на рис. 11.4. б.

 R Ia

 Еу

 Iy4 > Iy3> Iy2> Iy1

 Ea Rн

   Iу4       Iy3 Iy2 Iy1

0 Uвкл3 Uвкл2 Uвкл1 

б)

Рис. 11.4. Cхема включения тринистора (11.4.а); семейство вольт-амперных характеристик (11.4.б).

Чем больше ток в цепи управления, тем сильнее инжекция, тем при меньшем анодном напряжении выполняется условие 1 + 2  1. Увеличивая ток  управления до Iy4 (ток спрямления) , можно получить характеристику, аналогичную диодной характеристике. Выключение тиристора обычно производится по анодной цепи, для чего анодный ток должен быть уменьшен до нуля, либо до Ia<Iуд, где Iуд – так называемый удерживающий ток тиристора, то есть минимальный анодный ток, необходимый для поддержания открытого состояния тиристора при заданном режиме управляющего электрода. При этом неравновесные заряды, накопленные в базах при прохождении прямого тока, постепенно рассасываются вследствие рекомбинации носителей заряда, а спустя некоторое время (называемое временем выключения) восстанавливается закрытое состояние тиристора.

Выключить тиристор можно также путём подачи на управляющий электрод напряжения противоположной полярности и создания в его цепи противоположно направленного тока. Это приводит к уменьшению концентрации носителей зарядов в базе и уменьшению коэффициентов 1 и 2. При 1 + 2 < 1 тиристор выключается, и по цепи протекает малый ток Iкбо. Однако запирающий ток при этом получается одного порядка с анодным током и на запирание расходуется значительная мощность.

Полупроводниковый элемент тиристора изготовляют из кремниевых монокристаллических пластин или дисков с добавками бора, алюминия и фосфора, помещая этот элемент в герметичный металлический или керамический корпус.

Тиристоры широко используют в качестве вентилей в преобразователях электрической энергии, в системах автоматики, в электронных устройствах.

11.2.Электрическая схема

11.3.Выполнение работы

Задание1.Снять спусковую характеристику тиристора. Для снятия показаний необходимо:

1.Цифровые комбинационные приборы переключить в режимы амперметра и вольтметра.

2.приборы подключить к клеммам, указанным на стенде.

3.Замкнуть переключатели П1 и П2.

4.Вывести потенциометр R3 равным нулю.

5.Установить напряжение питания, равное нулю.

6.Установить ток управления, равный 50 мкА, который прошел через R1.

7.Плавно изменять напряжение питания; занести результаты в таблицу 1.

8. По полученным результатам построить график и определить момент, при котором происходит переключение тиристора.

9.Проделать пункты 3-8 для других значений тока управления: 100, 200,    500 мкА , 1, 3.5 мА .

Задание2.Определить ток выключения тиристора. Для получения экспериментальных данных необходимо:

1.Установить максимальный ток в цепи управления тиристора.

2.Увеличить до максимума напряжение питания.

3.Замкнуть переключатель П2.

4.Установить потенциометр R3: максимальный ток через тиристор.

5.Разомкнуть переключатель П2, а затем разомкнуть переключатель П1.

6.Изменить сопротивление потенциометра R3; ток через тиристор плавно уменьшать до тех пор, пока не произойдет выключение.

7.Если при этом тиристор не выключится, следует замкнуть и разомкнуть переключатель П1, подав тем самым в тиристор импульс включения.

Таблица 1

Iупр

50 мкА

I, мА

U, В

100 мкА

I, мА

U, В

11.4.Вопросы к семинару по лабораторной работе

1.Устройство и принцип действия переключающихся диодов.

2. Что представляет собой тиристор ?

3. По каким признакам классифицируются тиристоры ?

4. Назвать основные параметры тиристора.

5. Изобразить вольт-амперную характеристику тиристора.

6.Почему тиристор называют переключающим прибором ?

7.Почему при анодном напряжении от 0 до Uвкл тиристор  заперт ? Какой величины ток протекает при этом через прибор, какова природа этого тока ?

8.Объяснить состояние p-n переходов структуры, когда тиристор открыт. Какой величины ток протекает через прибор? Какова природа этого тока ?

9.Какие процессы в структуре тиристора приводят к его переключению из запертого в проводящее состояние ?

10.Каким образом можно выключить тиристор ?

11.Объяснить состояние p-n переходов структуры при обратном включении тиристора. Какой величины ток протекает через прибор? Какова природа этого тока ?

12.Применение тиристоров.

PAGE  1


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

11055. Исполнительные устройства систем мехатроники 206.5 KB
  Исполнительные устройства систем мехатроники Общие сведения и классификация Исполнительными механизмами называются механизмы выполняющие непосредственно требуемую технологическую операцию путем воздействия на обрабатываемую среду или объект с целью изменения
11056. Основы проектирования интегрированных мехатронных модулей и систем 734 KB
  Основы проектирования интегрированных мехатронных модулей и систем Основой метода мехатроники является интеграция составляющих частей которая закладывается на этапе проектирования и затем реализуется в технологических процессах производства и эксплуатации мехат...
11057. Методы интеграции при проектировании мехатронных агрегатов 182.5 KB
  Методы интеграции при проектировании мехатронных агрегатов Для проектирования интегрированных мехатронных агрегатов разработаны три метода интеграции. Каждый из методов может применяться как самостоятельно так и в комбинации с другими методами поскольку они реа
11058. Создание базы данных каналов промышленного контроллера в SCADA системе TRACE MODE 561.5 KB
  Создание базы данных каналов промышленного контроллера в SCADA системе TRACE MODE: методические указания по выполнению практической работы и варианты заданий / Воронеж. гос. технол. акад.; сост. И.А. Хаустов А.А Хвостов Р.А. Романов. – Воронеж: ВГТА 2011. – 32 с. Указания разработаны
11059. Создание базы каналов автоматизированного рабочего места диспетчерского контроля и управления с настройкой сетевого обмена 447 KB
  Создание базы каналов автоматизированного рабочего места диспетчерского контроля и управления с настройкой сетевого обмена: методические указания по выполнению практической работы / Воронеж. гос. технол. акад.; сост. И.А. Хаустов А.А Хвостов Р.А. Романов. – Воронеж: ВГТА 20...
11060. Создание пользовательских функциональных блоков программированием на СИ++ 900 KB
  Создание пользовательских функциональных блоков программированием на СИ: Методические указания для выполнения лабораторной работы по дисциплине Интегрированные системы проектирования и управления / Воронеж. гос. технол. акад.; Сост. И.А. Хаустов А.А. Хвостов. Воронеж...
11061. Создание и отладка программ на языке инструкций 270 KB
  Создание и отладка программ на языке инструкций: Методические указания для выполнения практической работы по дисциплине Интегрированные системы проектирования и управления / Воронеж. гос. технол. акад.; Сост. И.А. Хаустов. Воронеж 2011. 13 с. Указания разработаны в соотве...
11062. Создание графического интерфейса оператора технолога 1.25 MB
  Создание графического интерфейса оператора технолога: Методические указания для выполнения лабораторной работы по дисциплине Интегрированные системы проектирования и управления / Воронеж. гос. технол. акад.; Сост. И.А. Хаустов. Воронеж 2011. 54 с. Указания разработаны в ...
11063. Создание и настройка отчета тревог 475.5 KB
  Создание и настройка отчета тревог: Методические указания для выполнения лабораторной работы по дисциплине Интегрированные системы проектирования и управления / Воронеж. гос. технол. акад.; Сост. И.А. Хаустов. Воронеж 2011. 12с. Указания разработаны в соответствии с тре